超伝導グラフェン構造に関する科学者の新たな発見

グラフェンは2次元炭素系材料であり、鉛筆の芯から発見された同じ黒鉛からはく離することで生成できる原子厚の炭素層からなる。この超薄材料は完全に炭素原子からなり、簡単な六角形パターンで配列されている。2004年に初めてグラフェンが分離されて以来、科学者はグラフェンがその単層形態に多くの非凡な特性を体現していることを発見した。

2018年、マサチューセッツ工科大学（MIT）の科学者は、2つのグラフェン層が非常に具体的な「不思議な」角度で積層されていれば、ねじれた2層構造は強力な超伝導性を示すことができることを発見した。広く求められているこの材料状態では、電流はゼロエネルギー損失で流れることができる。最近、同じグループの研究者は、ねじれた3層グラフェン中に類似の超伝導状態が存在することを発見した。3つのグラフェン層が正確で新しい「魔角」で積層された構造である。

現在、同研究チームは、4層と5層のグラフェンを新たな「魔角」でねじって積み重ね、低温で強い超伝導性を引き出すことができると報告している。この最新の発見は2022年7月7日、『ネイチャー・マテリアル』誌に発表され、グラフェンの様々なねじれとスタック配置を最初に知られた多層魔角超伝導体の「家族」として確立した。チームはまた、グラフェンファミリーのメンバー間の類似性と違いを特定した。

この新しい発見は、設計上実用的な室温超伝導体の青写真とすることができる。家族メンバー間の特性が他の天然導電性材料にコピーできる場合は、例えば、散逸損失なしで電力を輸送したり、摩擦のないリニアモーターカーを建設したりすることができます。

「魔角グラフェンシステムは現在、いくつかのシステムを超えた合法的な『家族』となっている」と、主な著者でマサチューセッツ工科大学物理学部の大学院生Jeong Min（ジェーン）Park氏は言う。「この家族を持つことは特に意義があります。それは穏健な超伝導体を設計する方法を提供するからです」。

Parkのマサチューセッツ工科大学の共著者には、曹原、シャーリー・ジョー、孫樹文、Cecil、Ida Green物理学教授Pablo Jarillo-Herrero、日本筑波国立材料科学研究所のKenji Watanabe、Takashi Taniguchiが含まれている。

Jarillo-Herrerroグループは魔角グラフェンを発見した最初の人で、その形式は2つのグラフェンシートの2層構造で、1つは別の上に置いて、1.1度の正確な角度で少しずれている。このねじれた配置、いわゆるモル超格子は、超低温度でこの材料を強力で永続的な超伝導体に変換する。

研究者はまた、この材料は「フラットバンド」と呼ばれる電子構造を示しており、この構造では、材料の電子はその運動量を考慮せずに同じエネルギーを持っていることを発見した。このフラットバンド状態では、超低温では、一般的に熱狂的な電子集団が速度を遅くし、いわゆるクーパー対の中でペアリングするのに十分である--これは超伝導性の基本成分であり、材料を抵抗なく流すことができる。

研究者は歪んだ二層グラフェンが同時に超伝導性とベルト構造を示すことを観察したが、前者が後者から来ているかどうかは不明である。

パーク氏は「フラットバンド構造が超伝導性を招いたという証拠はない。その時から他のグループは他の材料から他の歪んだ構造を生み出しており、これらの材料にはいくつかのフラットバンド構造があるが、それらは本当に強い超伝導性を持っていない。だから私たちは知りたい。別のフラットバンド超伝導装置を生産することができるだろうか」と述べた。

彼らがこの問題を考えている間、ハーバード大学のグループが得た計算結果は、3つのグラフェン層が、1.6度の角度でねじれ、フラットバンドも現れ、超伝導する可能性があることを示していることを数学的に確認した。彼らは、適切な方法でスタックし、ねじれていれば、彼らが予測した角度で超伝導性を示すグラフェン層の数に制限はないはずであることを示し続けている。最後に、彼らは数学的に各多層構造を共通のフラットバンド構造に関連付けることができることを証明した--フラットバンドが強力な超伝導性をもたらす可能性があることを強力に証明した。

「彼らはこのようなグラフェン構造全体の階層がある可能性を研究し、無限層まで、フラットバンド構造の類似数学的表現に対応する可能性がある」とPark氏は述べた。

この作業の直後、Jarillo-Herrerroチームは、ねじれた3層グラフェンの中に超伝導性と平坦なベルト--3層グラフェンシートが現れ、チーズサンドイッチのように積み重ねられ、中間のチーズ層は中間に挟まれた外層に対して1.6度移動することを発見した。しかし、三層構造はその二層対応物と比較しても微妙な違いを示している。

「これは、材料のカテゴリ全体について、この2つの構造がどこで適切なのか、同じ家族から来ているのかを尋ねてみましょう」パークは言う。

非常軌を逸した家族

現在の研究では、このチームはグラフェン層の数を増やすことを望んでいる。彼らは4層と5層のグラフェンから作られた2つの新しい構造を作った。各構造は、ねじれた3層グラフェンのシフトチーズサンドイッチのように交互に積み重ねられています。

研究チームはこれらの構造を1ケルビン（摂氏273度）未満の冷蔵庫に入れ、それぞれの構造に電流を流し、2層システムと3層システムのテストに似たさまざまな条件下での出力を測定した。

総じて言えば、彼らは4層と5層のねじれたグラフェンも強力な超伝導性とフラットバンド構造を示すことを発見した。これらの構造はまた、強度、角度、方向の異なる磁場下での反応など、それらの3層対応物と他の類似点がある。

これらの実験は、ねじれたグラフェン構造が新しいファミリー、または一般的な超伝導材料と考えられることを示している。実験によると、この家族の中には「害の馬」がいる可能性もある。元のねじれた二重構造は、キー属性を共有しているが、その「兄弟姉妹」との微妙な違いを示している。例えば、グループの以前の実験では、多層構造に比べて構造の超伝導性が低い磁場で破壊され、磁場の回転に伴ってより不均一になることが示されていた。

研究チームは各構造タイプをシミュレーションし、家族間の違いについて説明を求めた。彼らは、歪んだ二層グラフェンの超伝導性がいくつかの磁場条件下で消失したことを結論した。それは、そのすべての物理層が構造中に「非鏡像」の形で存在しているからだ。言い換えれば、この構造では互いに鏡像が対立している2つの層はなく、グラフェンの多層構造はある鏡像対称性を示している。これらの発見は、強力な超伝導状態における駆動電子の流動のメカニズムが、歪んだグラフェンファミリー全体において同じであることを示している。

「これはかなり重要だ」とPark氏は指摘した。「それを知らないと、二層グラフェンは多層構造に比べて伝統的だと思われるかもしれません。しかし、この家族全体が非常規で穏健な超伝導体である可能性があることを示しています」